汽车铝合金缸体缸盖铸造工艺研究现状.pdf

中国科技期刊数据库 工业 A 收稿日期：2023 年 12 月 22 日 作者简介：郑东旭（1985），男，汉族，浙江象山人，本科，中级工程师，研究方向为铸造模具，重力低压高压模具。-91-汽车铝合金缸体缸盖铸造工艺研究现状 郑东旭 陈王海 张 莹 宁波合力科技股份有限公司，浙江 宁波 315700 摘要：摘要：随着汽车工业的快速发展，轻量化成为重要趋势，而铝合金缸体缸盖因其轻质高强的特性备受关注。文章首先介绍了铝合金在汽车制造中的应用和其对整车性能的影响。随后，详细探讨了当前铸造工艺研究的现状，包括铸造材料的选择与优化、铸造工艺的改进与创新，以及数值模拟在铸造工艺中的应用。特别强调了新型铝合金材料的研发成为未来的重点，以满足汽车工业对更高性能、更轻质材料的需求。最后，对未来发展方向进行了展望，旨在为汽车工业的发展提供有益的参考和指导。关键词：关键词：汽车工业；铝合金；缸体缸盖；铸造工艺；轻量化 中图分类号：中图分类号：U462 0 引言 随着汽车技术的不断进步，汽车制造业正朝着更高效、更环保、更安全的方向发展。在这一趋势下，轻量化技术成为了汽车制造业的研究热点之一。作为发动机的核心组成部分，缸体和缸盖的材料和制造工艺直接关系到整车的性能和效率。铝合金因其轻质、高强度和良好的导热性能成为制造轻量化发动机的理想材料之一，而铸造工艺作为铝合金制品的关键环节，更是备受关注。1 铝合金在汽车制造中的应用和重要性 铝合金在汽车制造中的广泛应用和其重要性不仅源于其轻质高强的物理特性，更体现在对汽车性能、燃油效率和环保性能的积极影响上。首先，铝合金相较于传统的铸铁材料具有更轻的密度，因此在相同体积下拥有更高的比强度，使得汽车整体重量得以降低。这轻量化设计不仅有助于提升车辆的燃油经济性，减少能源消耗，还可改善悬挂系统和操控性能，为驾驶者提供更为舒适的驾驶体验。其次，铝合金具备良好的导热性能，使得其在发动机部件中的应用成为一项关键选择。发动机工作时产生的高温需要有效散热，而铝合金的高导热性使得其成为优秀的热导体，有助于迅速将发动机产生的热量散发，提高整个发动机系统的工作效率。此外，铝合金还具有优越的加工性能，可通过各种铸造工艺精确制造各种复杂形状的零部件，为汽车制造提供了更大的设计灵活性和生产效率。综上所述，铝合金在汽车制造中的应用既改善了车辆性能，又促进了轻量化设计的实现，为汽车工业的可持续发展和环保方向奠定了坚实基础。在追求高效、安全和环保的汽车未来发展中，铝合金仍将发挥着不可替代的重要作用。2 汽车铝合金缸体缸盖的铸造工艺研究现状 2.1 汽车铝合金缸体缸盖模具铸造的铸造工艺 2.1.1 重力铸造 重力铸造是一种常见的金属型铸造工艺，特别适用于生产较大、结构较简单的汽车铝合金缸体缸盖等零部件。在这个过程中，液态铝合金被引入由模具组成的铸造腔中，利用重力的作用自上而下填充整个腔体，形成所需形状的铸件。这个过程相对简单，操作成本较低，因此在大批量生产中得到广泛应用。在重力铸造中，关键的模具设计和制造工作是确保成功生产的关键因素之一。模具需要具备高度精度，以确保铸造的最终产品符合设计要求。同时，模具的冷却系统也需要被巧妙设计，以确保铸造的速度和温度得到有效控制，避免产生缺陷，如气孔或收缩孔。因此，对于不同形状和尺寸的铸造零部件，需要经过精心设计的模具，以确保重力铸造的高效性和生产成本的经济性。虽然重力铸造适用于较为简单的结构，但在不断追求汽车轻量化的趋势下，对于更为复杂、精密的汽车零部件，其他先进的铸造工艺，如低压铸造或高压铸造，可能更为适用，能够提供更高的制造精度和更好的机械性能。然而，在某些情况下，重力铸造仍然是一种经济、可行的选择，特别是对于大批量生产中国科技期刊数据库 工业 A-92-要求相对较低的零部件。2.1.2 低压铸造 低压铸造是一种先进而精密的金属型铸造工艺，被广泛应用于汽车制造领域，尤其是对于复杂结构、高精度要求的零部件，如汽车铝合金缸体缸盖。该工艺通过施加相对较低的气压，将液态铝合金从熔炉输送到密闭的模腔中，确保模具内部充分填充。这种施压方式不仅可以提高铸造的密度和机械性能，同时还能有效减少气孔和杂质的产生。低压铸造的工艺过程对模具的设计提出了更高的要求。模具需要设计成能够承受气压的同时，确保铸造件的形状和表面质量。同时，模具的冷却系统需要得到精心设计，以确保铸造过程中的温度和凝固速度得以精确控制，从而保证最终产品的机械性能和表面质量。相较于传统的重力铸造，低压铸造的优势在于能够更好地控制铸造过程，生产出更为精密、强度更高的铸件。这使得低压铸造成为制造复杂结构、高要求零部件的理想选择。然而，需要注意的是，相较于其他铸造工艺，低压铸造的成本较高，因为需要投资于高质量的模具和控制系统。尽管如此，其优越的生产精度和质量控制使得低压铸造在高端汽车制造领域仍然备受青睐。2.1.3 高压铸造 高压铸造是一种先进而高效的金属型铸造工艺，在汽车制造中发挥着重要作用，尤其是在生产要求严苛的零部件，如汽车铝合金缸体缸盖。该工艺采用高压注射系统，将液态铝合金迅速注入模具中，以高速充填整个模腔。由于高压的作用，铸造件在凝固过程中形成更细致均匀的晶粒结构，从而提高了产品的密度和机械性能。在高压铸造中，模具的设计和材料选择至关重要。模具必须能够承受高压的冲击力，并具备高度的耐磨性和导热性，以确保铸造过程的稳定性和模具的寿命。高压铸造的一个显著优势是能够生产高度精密、复杂结构的零部件，且具有出色的表面光洁度，减少了二次加工的需要。相对于其他铸造工艺，高压铸造的生产速度较快，能够在短时间内完成大量生产，提高了生产效率。这使得高压铸造特别适用于大规模生产且要求高质量的零部件。在汽车制造中，高压铸造不仅能够满足对轻量化设计的需求，还为提高发动机性能和燃油效率提供了有力支持。随着技术的不断创新和推进，高压铸造将继续在汽车工业中发挥着重要的制造优势。2.2 铸造材料的选择与优化 在汽车铝合金缸体缸盖的制造中，铸造材料的选择与优化是关键的研究方向之一。首先，对于铸造材料的选择，研究人员需要综合考虑材料的力学性能、耐热性、耐腐蚀性以及可加工性等因素。不同的发动机工作条件和设计要求对材料性能提出了多样化的需求，因此需要在各种铝合金中寻找最佳的组合，以满足发动机在高温高压环境下的要求。此外，还需要考虑成本、可持续性和环保性等方面的因素，使得选择的铸造材料既能够满足技术要求，又能够在生产和使用过程中综合考虑经济性和环境友好性。其次，铸造材料的优化涉及到合金成分、热处理工艺等多个方面。通过调整合金的成分，可以改善材料的强度、硬度和耐腐蚀性，进而提高发动机零部件的整体性能。同时，对于热处理工艺的优化，可以调控晶粒尺寸和组织结构，提高材料的疲劳寿命和耐热性，从而增强铝合金在高温环境下的稳定性。总体而言，铸造材料的选择与优化是一项复杂而综合的工作，需要充分考虑多个因素的影响，以确保最终选定的铸造材料能够满足汽车发动机在各种工况下的高要求。这一领域的深入研究将有助于推动汽车制造技术的发展，提高发动机零部件的性能和可靠性。2.3 数值模拟在铸造工艺中的应用 数值模拟在汽车铝合金缸体缸盖的铸造工艺中发挥着日益重要的作用。通过数值模拟技术，可以对铸造过程进行详细的仿真分析，从而更准确地预测零部件的成型过程、结构特性和性能表现。首先，数值模拟可以模拟金属液体在模具中的流动过程，包括充填、冷却和凝固等阶段。通过这种模拟，可以直观地观察到金属液体的流动轨迹、速度分布以及温度变化等信息。这对于优化浇注系统的设计具有重要意义，例如可以通过调整浇口的位置和数量，使金属液体更加平稳地充填模具，减少气孔和夹渣等缺陷的产生，提高铸件的质量。数值模拟还可以模拟铸造过程中的温度场分布。通过模拟固态化过程中的温度变化，可以预测铸件内部的温度梯度、热应力以及热裂等现象。这有助于优化热处理工艺，例如可以通过调整加热速度和保温时间，使铸件在固态化过程中达到最佳的温度中国科技期刊数据库 工业 A-93-条件，从而提高铸件的强度和耐热性。其次，数值模拟可以模拟铸造过程中的晶粒生长和相变等现象。通过模拟固态化过程中的晶粒结构、孔隙分布等信息，可以为优化热处理工艺提供参考。例如可以通过调整热处理参数，使铸件内部的晶粒尺寸和形状达到最佳状态，从而提高铸件的力学性能和耐磨性。数值模拟可以在设计阶段就预测铸造零部件的性能，从而减少试验和修正的次数，降低生产成本。例如可以通过模拟铸造过程中的流动情况、温度场分布以及组织结构等参数，预测铸件的强度、硬度、韧性等性能指标。这有助于在设计阶段就对铸件的性能进行优化，提高产品的竞争力。此外，数值模拟还可以应用于设计新型铸造工艺和材料的研究。通过模拟不同工艺参数和材料组合的效果，可以快速评估它们对最终产品性能的影响，从而指导实验设计的方向。综合而言，数值模拟在铸造工艺中的应用为优化设计、提高生产效率和降低成本提供了有力的工具。随着数值模拟技术的不断发展，它将继续在汽车制造领域中发挥重要作用，推动铸造工艺的进一步创新与提升。3 未来发展方向的展望 3.1 新型铝合金材料的研发 在不断追求汽车工业创新的道路上，新型铝合金材料的研发被认为是未来的关键焦点。这是因为随着汽车设计对性能、安全性和环保性能的不断提升，对材料的要求也变得更为苛刻。新型铝合金的研发旨在在维持高强度的同时降低密度，以实现更轻量的车身结构，从而提高燃油经济性和减少尾气排放。未来新型铝合金的研发不仅将聚焦于提高材料的力学性能，还将关注其耐腐蚀性、耐磨性、导热性等综合性能。同时，对于新材料的可加工性和成本效益也将是重要考量因素，以确保其在实际制造中的可行性。这种全方位的性能优化有望为汽车制造业提供更大的设计自由度，促使创新性的车型设计和先进的制造工艺。新型铝合金的研发还将加强对可持续性和环保性的关注。寻求更环保的生产工艺，减少对有害元素的使用，以及在整个生命周期内降低对资源的依赖，这些都是新型铝合金材料研发的方向之一。通过推动新材料的研发，汽车工业有望在未来实现更高效、更环保的生产和使用模式，为整个行业带来新的发展机遇。3.2 铸造工艺的智能化和自动化 铸造工艺的智能化和自动化是汽车制造业迈向高效、智能化生产的重要趋势之一。随着科技的迅速发展，先进的自动化技术和智能系统不断涌现，为铸造工艺带来了新的机遇。智能化铸造工艺的实现包括采用先进的传感器和监测设备，以实时监控铸造过程中的温度、压力和流体流动等关键参数。这使得生产线能够实现及时反馈和调整，最大程度地提高生产效率和产品质量。自动化技术在铸造工艺中的应用主要体现在自动化的模具装卸、液态金属注入、冷却固化等关键步骤。通过使用先进的机械臂、自动输送系统和控制系统，可以实现从原材料准备到最终成品的全自动生产流程。这种自动化不仅提高了生产线的稳定性，还降低了劳动力成本，减少了人为因素对生产过程的影响。智能化和自动化的铸造工艺还包括采用人工智能（AI）和数据分析技术，以优化生产计划、预测设备故障，并进行质量控制。这样的智能系统能够根据大量实时数据做出智能决策，提高生产线的适应性和灵活性，从而更好地满足定制化和高品质产品的需求。4 结束语 总体而言，汽车铝合金缸体缸盖的铸造工艺一直处于不断创新和发展的阶段。从传统的重力铸造到先进的低压铸造和高压铸造，以及智能化、自动化的制造趋势，都为提升产品质量、生产效率和环保性能提供了新的可能性。未来，随着新型铝合金材料的研发和铸造工艺的不断完善，汽车工业将迎来更轻、更强、更智能的发动机零部件，为行业的可持续发展开辟了更为广阔的前景。这一领域的进步将不仅推动汽车制造技术的创新，也为全球汽车市场带来更加先进和环保的汽车产品。参考文献 1孙洪强.论汽车铝合金缸体缸盖铸造工艺研究现状J.时代汽车,2018,(06):118-119.2刘广超,王英杰,许世龙.汽车铝合金缸体缸盖铸造工艺研究现状J.黑龙江科技信息,2017,(03):18.3邵京城,李俊涛,艾国等.汽车铝合金缸体缸盖铸造工艺研究现状J.热加工工艺,2011,40(03):57-59+63.中国科技期刊数据库 工业 A-94-4 高 成 勋,刘 伟 明,颜 鹏 远.铝 合 金 缸 体 缸 盖 的 消 失 模 铸 造 J.特 种 铸 造 及 有 色 合金,2010,30(08):746-747,683-684.5 毛 建 伟,侯 文 瑞,蒋 祖 华.KV6 汽 车 发 动 机 铝 合 金 缸 体 缸 盖 铸 造 质 量 改 善 J.工 业 工 程 与 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